案例分析在《化工原理》教学中的应用

冯 艺 陈慕华 顾晓利 姚建峰

(南京林业大学 化学工程学院，江苏 南京 210037)

化工原理是化工类本科生的一门综合性技术基础课, 它是综合运用数学、物理、化学等基础知识分析和解决化工过程中各种单元操作问题的工程学科。它为过程工业(包括化工、轻工、医药、食品、环境、材料、冶金等工业部门)提供科学基础，对化工及相近学科的发展起支撑作用[1-3]。化工原理课程主要研究化工生产中单元操作的基本原理及其设备的设计、操作与调节，以传递过程原理和研究方法论为主线，研究各个物理加工过程的基本规律，典型设备的设计方法，过程的操作和调节原理[4-5]。该门课知识点繁多，运用到数学、物理、物理化学等知识，学生学习起来相对困难[6]。

本文针对目前化工原理学科特点以及在教学中如何充分调动学生的主动参与性和学生的兴趣的问题，提出“案例设计”的教学方法，即通过一个案例，让学生结合章节所学知识点，分析问题并提出相应的解决方案。

1 案例设计与分析

案例设计是将具体生活中的问题引入课堂，让学生成为“设计师”和问题解决“专家”，通过查阅资料，小组讨论等，对问题进行分析。下面列举几个具体案例，对案例分析法理念进行阐述。

案例一：一件衣服被雨淋湿，如何将它去湿？(不限任何所需工具)

知识点：干燥的方式

案例分析：干燥的方法有多种，包括机械法，吸附法，蒸发法等。具体到实际操作有，通过吹风机吹干，暖气片烤干，洗衣机甩干，用纸巾擦拭，用红外灯照射，放入真空装置抽真空等。教师需根据学生的回答，进行归类，并对机理进行简要说明。例如，如果学生回答是吹风机吹干，其干燥方式是对流干燥，即干燥介质(热空气)直接与湿物料接触，热能以对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。再比如冷冻干燥，物料冷冻后，将干燥器抽成真空，对物料提供必要的升华热。教师应当注意，在案例分析中，学生的回答可能在实际操作中难以实现，但如果理论上可行，教师应鼓励学生这种“脑洞大开”式回答。例如，本人在教学过程中就曾遇到过“放入微波炉”等在实际中很少采用的方式，但理论上又可行(介电加热干燥方式)的答案。在学生列举完解决方式后，教师应对所有解决方案(包括学生未提及的方案)进行归类总结，并将机理引入，让学生理解该案例与化工原理是如何结合，以及所提方案所涉及或延伸的化工单元操作。例如，吹风机吹干湿物料可延伸到一些对流干燥设备，通过加热空气来达到干燥湿物料的目的。

案例二：一杯水，如何进行保温？

知识点：传热

案例分析：首先需要学生了解传热的三种方式(热传导，热对流和热辐射)以及三种传热方式的机理。然后鼓励学生通过对水体本身，储水容器以及外界等方向进行设计。例如，对外界而言，应该尽量减少外部空气流动，减少热对流产生的热损失。对储水容器而言，可以采用加盖方式(降低热对流损失)，内部镀银(降低热辐射热损失)和加入真空层(降低热传导热损失)等方式。此外，还可以通过在容器外面加保温套等方式，均可达到保温的目的。

案例三：有一台泵在运转过程中产生剧烈晃动，在停泵检修过程中发现其内部叶片损坏严重，是什么现象导致泵叶片的损坏，如何防止该类事件发生？

知识点：泵的操作与气蚀

案例分析：首先需要学生掌握泵的原理，基本操作以及气缚与气蚀现象。根据问题描述可判断泵发生气蚀现象。教师可先让学生思考并回答判断的依据，以及相应的基本概念(比如，什么是气蚀现象)，并让学生思考产生的原因是什么，例如安装高度过高，进口管路阻力过大或管道过细，出口阀开度过大，流量过大，输送介质温度过高，泵的选型不合适等。通过原因分析，可让学生提出相应的解决途径，以及分析解决途径的机理。

2 案例分析教学的优势及方法

案例教学首先可以调动学生的积极性，让学生们觉得化工原理知识就在他们的日常生活中，而不是仅仅存在课本中。其次，案例分析可以激发学生的思维，融合学生所学的知识点来对案例进行分析，提供解决途径。此外，通过案例分析，学生可加深所学的知识以及补充未考虑到的知识点。比如上述的案例一中不同的干燥方式，可以让学生了解并掌握他们日常生活中并未接触过的方法，如冷冻干燥法等，扩展知识面。最后，案例分析可以加强学生们的团队协作能力，通过小组讨论，对某一案例进行团队协作，共同参与并解决问题。

案例分析法虽然有一系列的优点，但对教师教学也提出更高的要求，为更好的将案例分析教学融入到课堂，教师应当：

(1) 平常注意积累并通过大量阅读设计案例，并将案例与化工原理知识点相结合。

(2) 教师应鼓励学生的开放式回答，并鼓励学生勇敢的说出“错误答案”或“脑洞大开”的答案。

(3) 教师应针对学生的回答进行进一步的分析，并简单阐述其背后的机理。

(4) 案例分析的最后，教师应对学生的分析进行总结，包括学生未考虑到的方案以及由案例分析引出的扩展内容，如相关化工单元操作设备等。

(5) 让学生充满“成就感”。对学生的每一个回答进行鼓励和表扬，让学生感受解决问题之后的喜悦感。

3 结语

化工原理是一门应用型学科，需要学生掌握化工思维和设计理念的同时，要求学生能掌握仪器操作和问题解决能力。案例分析教学可将知识点进行有效串联，从日常生活中的问题出发，引出化工原理的知识点。该方法可提高学生们的主动参与性，让学生们感受到化工原理就在身边。因此，希望在以后的教学中，教师们可以在合适的章节讲授过程中引入相关案例，让学生们参与其中，以加深对知识点的掌握并培养学生们的化工思维。